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重新设计锂离子电池负极以获得更好的性能

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-15 】 点击次数:
阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家们已经朝着更高容量的锂离子电池发展,以满足不断增长的消费者需求取得了进展。
阿贡大学的科学家观察了微米大小的磷颗粒在充电和放电过程中的可逆体积和相变。图片来源:阿贡国家实验室/徐桂良
随着道路上电动汽车的日益增长以及对消费电子产品的日益依赖,对锂离子电池(LIB)的开发需求从未有过增长,这些锂离子电池可维持更高的能量容量或电池中存储的电量。
 
增加LIB的总能量容量的一种方法是增加阳极或负电极的能量容量。在过去的几十年中,最先进的LIB用石墨阳极制成。石墨的能量容量稳定,这意味着即使经过1000个完整的充放电循环,其容量也不会衰减,并且材料也不会破裂。但是,石墨的理论能量容量低,不能满足当今社会不断增长的能量需求。
 
在一项新的研究中,由美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室的研究人员领导的一个团队证明了潜在的,更高容量的新型阳极材料的能力得到了提高。这种复合材料最初是为钠离子电池开发的,与锂离子电池相比,钠离子电池在商业上很少使用。这项新研究试图将这种材料应用于锂离子电池。
 
最近,硅和磷已成为下一代电池阳极研究的最前沿。硅和磷的理论能量容量至少是石墨的10倍,这意味着它们可以超过LIB的能量容量要求。根据高级材料科学家和Argonne研究的首席研究员Argonne杰出研究员Khalil Amine所说,硅有两个主要问题。第一个问题涉及在充电过程中对硅进行锂化时的大体积膨胀,这很可能导致阳极材料破裂。他解释说,开裂会导致能量容量的损失。
 
第二个问题涉及一个称为初始库仑效率(ICE)的术语。当电池经过一个完整的充放电循环时,理论上电池的电荷输出应与电荷输入匹配。然而,电荷输出中的一些能量由于与阳极材料反应的锂而损失。为了开发实用的LIB,在第一个充放电循环中,电荷输出与电荷输入的比率应大于90%。这个比率就是ICE。对于硅,ICE含量不到80%,Amine解释说,使其无法实际使用。
 
 
 
在他们的研究中,阿贡,阿贡大学的化学家徐桂亮及其同事探索了两种潜在的磷类型:黑磷和红磷。徐说:“磷具有很高的能量容量。” “当我们探索这种材料时,我们发现阳极材料的ICE很高,超过90%。”
 
超过90%的ICE表明,负极材料与电解质之间几乎没有发生副反应,因此在初始充电和放电过程中不会损失太多锂。
 
该团队创建了自己的阳极复合材料,该复合材料主要由黑磷(一种具有高理论容量的高导电形式的磷)和导电碳化合物组成。
 
为了制造这种复合材料,研究人员将大量的磷材料和导电碳研磨成微米级的颗粒,从而增加了阳极的密度。
 
在测量寿命周期或电池可充电和放电的总次数时,Amine和他的同事们转向了美国能源部科学办公室用户设施Argonne的高级光子源(APS)和纳米级材料中心(CNM)。该团队利用APS处的原位存储环形光源X射线衍射和CNM处的原位扫描电子显微镜,观察了在反复充电和放电过程中阳极的相和体积转变。
 
徐说:“阿贡拥有APS和CNM的独特能力。” “借助存储环形光源,我们可以探测锂化和脱锂过程中的相变,这使我们能够看到反应的可逆性。”
 
在证明了黑色磷复合材料的稳定性之后,研究小组研究了用红磷代替黑磷的复合材料。黑磷虽然比红磷具有更大的导电性,但对于市场上的实际使用而言太昂贵了。使用经济上可行的红磷复合材料,该电池显示出相似的稳定性和高ICE,并具有很高的实际容量。
 
徐说,研究小组目前正在研究一种主要由红磷制成的复合材料,该材料显示出令人鼓舞的结果。“我们正在尝试与行业合作伙伴进行合作,以便我们可以扩大这种材料的规模,以便将来将其商业化。”
 
有关该研究的研究论文“一种用于高能锂离子电池的实用磷基负极材料”于2020年4月26日在线发表在Nano Energy上。
 

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